JP2016101424A - 被検体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光音響顕微鏡において測定位置や測定範囲を正確に定めることを可能にする。
【解決手段】 音響波検出素子および観察用カメラを着脱可能な構成にして、観察用カメラを装着することを可能にする。予め被検体表面を観察して測定位置や測定範囲を決定することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光音響効果を利用した被検体情報取得装置に関する。

レーザなどの光源から被検体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる被検体内の情報を画像化する光イメージング装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ）がある。ＰＡＴでは、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝搬、拡散したパルス光のエネルギーを吸収した組織から発生した音響波を検出する。この光音響波発生の現象を光音響効果と呼び、光音響効果により発生した音響波を光音響波と呼ぶ。腫瘍や血管などの被検部位は、その周辺組織に対して光エネルギーの吸収率が高いことが多いため、周辺組織よりも多くの光を吸収して瞬間的に膨張する。この膨張の際に発生する光音響波を探触子（以下、音響波検出素子と呼ぶ）で検出し、受信信号を得る。この受信信号を数学的に解析処理することにより、被検体内の、光音響効果により発生した光音響波の音圧分布を画像化（以下、光音響波画像と呼ぶ）することができる。このようにして得られる光音響波画像を基にして、被検体内の光学特性分布、特に、光吸収係数分布を得ることができる。これらの情報は、被検体内の特定物質、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどの定量的計測にも利用できる。

一方で、光音響効果を用いて、より微細な光吸収体をイメージングするために、分解能を向上させることが求められている。そのため、音を集束させたり、パルス光を集光させたりすることで光音響イメージングの分解能を向上した光音響顕微鏡の開発が進められている。

非特許文献１では、音響レンズを用いることによって、皮膚に近い領域に存在する血管画像を高解像度にイメージングすることが可能な超音波フォーカス型の光音響顕微鏡を提示している。

Ｉｎ ｖｉｖｏ ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．６，ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ

光音響顕微鏡において、生体表面のどの位置を測定しているかを知ることは重要である。しかしながら、非特許文献１では、生体の上部には超音波検出素子や光学系が配置されているためカメラを用いて生体表面を観察することが困難である。また、横から目視で確認する方法では、大雑把にしか測定位置を把握できないという課題がある。

本発明はこのような課題に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、被検体表面の測定位置を正確に把握できる被検体情報取得装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、光源と、前記光源から射出された光を集める光学素子と、前記光学素子によって集められた光が被検体に照射されることにより発生する音響波を検出して電気信号を出力する音響波検出素子と、前記音響波検出素子の音響波受信面と前記被検体との間に位置する音響レンズと、前記電気信号から前記被検体の情報を取得する信号処理手段と、を有する被検体情報取得装置であって、前記光学素子は、前記音響波検出素子と前記被検体を撮像する撮像手段とを着脱可能なように支持する支持部を備え、該支持部は、該音響波検出素子の音響波受信面の法線方向と撮像手段の光軸とが略並行になるように、該音響波検出素子と撮像手段とを支持することを特徴とする。

本発明によれば被検体の測定位置を正確に把握することが可能となる。

実施例１の模式図 測定フローを説明する図 実施例２の模式図 実施例３の模式図

以下に、本発明に係る被検体情報取得装置について図１を用いて概要を説明したのち、各実施の形態について説明する。尚、以下では光音響情報取得装置という場合もある。
本発明の被検体情報取得装置は、図１に示す通り、光源１００と、光源１００から射出された光を集める光学素子である円錐台ミラー１０７とを有する。また、光学素子である円錐台ミラー１０７によって集められた光が被検体１１１に照射されることにより発生する音響波を検出して電気信号を出力する音響波検出素子１２１をさらに有する。また、音響波検出素子１２１の音響波受信面１２２と前記被検体１１１との間に位置する音響レンズ１２３を有する。また、音響波検出素子１２１が出力する電気信号から被検体１１１の情報を取得する信号処理手段１２６を有する。そして、光学素子である円錐台ミラー１０７は、音響波検出素子１２１と被検体１１１を撮像する撮像手段である観察用カメラ１５１とを着脱可能なように支持する支持部を備えている。そして、支持部は、音響波検出素子１２１の音響波受信面１２２の法線方向と撮像手段の光軸とが略並行になるように、音響波検出素子１２１と撮像手段１５１とを支持する。これによって、被検体の測定位置を正確に把握することが可能となる。これについて、以下に説明する。

光音響顕微鏡などの光音響効果を利用した被検体情報取得装置において、光音響波受信の際、被検体表面のどの位置を測定しているかを知ることは重要である。しかしながら、光音響波をより良好に受信するためには、被検体への効率的な光照射と、音響波の効率的な受信、具体的には音響波の減衰を抑制した受信が必要であり、そのため音響波検出素子や光学素子は被検体と正対するように配置される。この結果、カメラ等の撮像手段は音響波検出素子や光学素子を避けるように配置せざるを得ないため、音響波検出素子が正対する箇所を直接的に撮像するには、たとえば斜めに傾斜した状態でカメラを配置することになる。よって、音響波検出素子によって得られた被検体の情報（光音響波画像）と、観察カメラ等で得られた可視光像（カメラ画像）とは、互いに軸の向きがずれた画像となり、正確な位置合わせができない。

一方、本発明においては、音響波検出素子１２１の音響波受信面１２２の法線方向と撮像手段の光軸とが略並行になるように、音響波検出素子１２１と撮像手段１５１とを支持しているため、互いの情報（画像）の軸の向きを一致させることができるため、より正確に測定位置の把握が可能となる。

以下、各構成、及び、更なら構成（好ましい付加構成）について説明する。

（光源）
本発明において使用する光源の波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましく、被検体が生体の場合、光源からは生体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される波長の光を照射する。具体的には被検体が生体の場合、５００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。効率的に光音響波を発生させるため、光はパルス光が好ましく、パルス幅は数ｎｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃ程度が好適である。光源としてはレーザや、発光ダイオード、フラッシュランプ等を用いることもできる。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用できる。

（光伝送手段）
光源から発せられた光は光伝送手段によって伝送され、被検体に照射されるのが好ましい。光伝送手段は、例えば、マルチモード光ファイバを用いるのが好適である。

（照射光学系）
上述の円錐台ミラーを含め、光伝送手段によって伝えられた光を生体などの被検体に照射するものである。照射光学系は、コリメートレンズ、円錐レンズ、円錐台ミラーからなり、光路が音響波検出素子や観察カメラと干渉しないように配置されている。尚、円錐台ミラーは、中央部が円柱状にくり抜かれた中空構造を有しており、その中空部分に音響波検出素子や観察カメラを着脱可能な構成となっている。つまり、中空部分の肩（後述の検出素子アタッチメント１２５や、カメラアタッチメント１５５と当接する部分）が支持部である。

（音響波検出素子）
照射されたパルス光により被検体表面及び被検体内部で発生する光音響波を受信し、アナログ信号である電気信号（受信信号）に変換するものである。圧電現象を用いたもの、光の共振を用いたもの、静電容量の変化を用いたもの等、音響波信号を受信できるものであれば、どのような音響波検出素子を用いてもよい。さらに、所望の焦点からの音響波を選択的に受信できるように音響レンズが設けられている。尚、図１の形態では音響波受信面１２２が平面故、法線方向は一義的に決まったが、音響波受信面が平面ではない場合、たとえば曲面の場合には、曲面の各点（離散する代表的な数点）から法線を引き、この法線をベクトルとして互いに加算することで得られる合成ベクトルを法線とすればよい。この場合、たとえば半球状の受信面であれば、合成ベクトルは半球面の中央から伸ばした法線と等しくなる。

（信号収集手段）
音響波検出素子で得られた電気信号を収集するものであり、効率よく処理するためにはアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部を有することが望ましい。

（走査手段）
広範囲の被検体情報を収集するには、音響波検出素子を走査するのが好ましい。走査手段によって、音響波検出素子の焦点位置を、被検体に沿って１次元あるいは２次元に走査することが可能となる。

（信号処理手段）
信号収集手段により収集された電気信号から２次元あるいは３次元の被検体内の光音響波画像、あるいは、光学特性分布を生成するものである。

光音響波画像の生成に関しては、電気信号を包絡線検波して、時間ごとの信号値を被検体の深さ方向の信号値に置き換えることで得ることができる。

（観察カメラ）
被検体表面を光学的に観察するものである。撮像されたカメラ画像（可視光像）をモニターに表示することで測定部位を選択することが容易になる。尚、撮像手段である観察カメラ１５１の光軸１５７は、図１（ｃ）に示す通り、撮影方向を意味する。

以上が本発明における被検体情報取得装置の好ましい構成である。

より詳細の構成については、以下の各実施例の中で述べる。

図１（ａ）は本発明の被検体情報取得装置の第一の実施例を説明する概念図である。図中、１０１は光ファイバである。光ファイバ１０１は光伝送手段として機能する。光ファイバ１０１は、波長８００ｎｍ、パルス幅５ｎｓｅｃ、繰り返し周波数１００Ｈｚのパルス光を発生するＯＰＯレーザからなるパルス光源１００に光学的に接続されている。１０３は集光レンズ、１０５は円錐レンズ、１０７は円錐台ミラーであり、これらで照射光学系が構成される。１１１は被検体であり、被検体１１１は支持台１１３上に設置されている。図中には示していないが被検体１１１および支持台１１３はｚ方向に移動可能である。１０９は光ファイバ１０１から射出された光であり、照射光学系を通って被検体１１１近傍で集光するように照射光学系の各部品が配置されている。１２１はＰＺＴを圧電材料として用いた中心周波数５０ＭＨｚの音響波検出素子であり、１２３は音響波検出素子１２１の先端に設けられた音響レンズである。１２５は音響波検出素子１２１に固定された検出素子アタッチメントである。音響波検出素子１２１は円錐台ミラー１０７に設けられた円柱状の中空部に挿入されており、検出素子アタッチメント１２５によって位置決めされている。１１７は側壁、１１５は薄膜であり、側壁１１７および薄膜１１５で囲まれた水槽に水１１９が充填されている。薄膜１１５は光および超音波を透過する材料で構成されている。１３１で示した点線で囲まれた部分で筺体が構成されており、図中には示していないが、筐体１３１はｘｙステージによりｘ方向およびｙ方向に走査可能となっている。

光１０９の照射により被検体１１１から発生した光音響波（図中不指示）は薄膜１１５および水１１９中を伝搬し、音響レンズ１２３を介して音響波検出素子１２１に到達する。音響波検出素子１２１では、光音響波を受信し、アナログ信号である電気信号に変換する。音響レンズ１２３の作用により、焦点位置から発生した光音響波を選択的に受信することができる。したがって、被検体１１１の観察対象部位が焦点近傍に位置するように被検体１１１のｚ方向の位置が調整されている。

受信された電気信号は、信号収集手段（図中不指示）によって収集される。

音響波検出素子１２１は１次元あるいは２次元に走査され、音響波検出素子１２１の走査に同期して、光の照射と信号収集が行われる。そして、信号処理手段１２６により、収集された電気信号から２次元あるいは３次元の被検体内の光音響波画像が生成される。

光音響波を受信する際は、音響波検出素子１２１は検出素子アタッチメント１２５を介して円錐台ミラー１０７に装着された状態である。この状態を図１（ｂ）に示す。音響波検出素子１２１は円錐台ミラー１０７から取り外すことができる。被検体１１１の表面を観察する場合は、音響波検出素子１２１を円錐台ミラー１０７から取り外し、観察用カメラを円錐台ミラー１０７に装着する。この状態を図１（ｃ）に示す。

図１（ｃ）中、１５１は観察用カメラであり、１５３は観察用カメラ１５１の先端に設けられた結像レンズである。１５５は観察用カメラ１５１に固定されたカメラアタッチメントである。結像レンズ１５３は内側に空気の領域を含み、図中には示していないが、結像レンズ１５３の外側は水１１９の中に浸かるような配置となっている。観察用カメラ１５１を装着した状態において、水１１９を介して被検体１１１の表面の像がカメラの撮像素子上に結像するように、観察用カメラ１５１、結像レンズ１５３、カメラアタッチメント１５５の位置が調整されている。そして、図１（ｃ）に示す通り、観察用カメラ１５１の光軸１５７が、図１（ｂ）に示す音響波検出素子１２１の音響波受信面１２２の法線１２７の方向と略並行になるように、観察用カメラ１５１はカメラアタッチメント１５５に支持されている（光軸１５７と法線１２７は共にＺ方向に並行である）。

実際に測定を行うときのフローを、図２を用いて説明する。

（１）円錐台ミラー１０７に観察用カメラ１５１を装着する。
（２）観察用カメラ１５１による取得画像から測定位置、測定範囲を決定する。
（３）円錐台ミラー１０７から観察用カメラ１５１を取り外し、音響波検出素子１２１を装着し、観察用カメラ１５１と音響波検出素子１２１とを入れ替える。
（４）（２）で決定された測定位置、測定範囲に基づき、音響波検出素子１２１を所望の位置に動かす。
（５）光音響波を受信し、電気信号に変換する。
（６）電気信号を収集する。
（７）走査が終了したかを判断し、終了していなければ所望の位置に音響波検出素子１２１を動かして（５）、（６）を繰り返す。
（８）被検体内の光音響波画像を生成する。

以上説明したように、本実施例によれば、音響波検出素子と同じ位置に被検体表面観察用のカメラを設置し、被検体表面を観察することで、測定位置をより正確に把握することが可能となる。

図３を用いて、本発明における第２の実施例を説明する。図中、図１と同一の部分には同じ番号を付加し、説明は省略する。第１の実施例との違いは、音響波検出素子と観察用カメラの高さを調節可能な手段が設けられていることである。

図３（ａ）は、音響波検出素子１２１を円錐台ミラー１０７に装着された状態を示している。図中、２２５は検出素子アタッチメントであり、２２７は検出位置調整手段である検出素子高さ調節部である。
検出素子高さ調節部２２７は、音響検出素子の受信面の法線方向における、音響波検出素子と光学素子である円錐台ミラー１０７との相対位置を調整するものであり、音響波検出素子１２１と一体化されている。

検出素子アタッチメント２２５および検出素子高さ調節部２２７には、同じピッチでネジ溝が設けられている。検出素子高さ調節部２２７を回転させることで、検出素子アタッチメント２２５に対する音響波検出素子１２１のｚ方向（法線方向）の相対位置を調整できる。つまり、ボルトとナットの関係のように、一方を他方に対して回転させることで、Ｚ方向における互いの相対位置関係が変更できる。よって、本実施例では、照射された光の集光位置と、音響レンズ１２３による音響波検出素子１２１の焦点位置とを、所望の位置関係を満たすように容易に調節することが可能となる。例えば、音響波検出素子１２１の焦点位置と照射された光の集光位置とを合わせることで明視野照射としたり、音響波検出素子１２１の焦点位置と照射された光の集光位置とをずらすことで暗視野照射としたりすることができる。

図３（ｂ）は、観察用カメラ１５１を円錐台ミラー１０７に装着された状態を示している。図中、２５５はカメラアタッチメントであり、２５７は撮像位置調節手段であるカメラ高さ調節部である。カメラ高さ調節部２２７は、撮像手段である観察用カメラ１５１の光軸方向における、撮像手段である観察用カメラと光学素子である円錐台ミラーとの相対位置を調整するものであり、観察用カメラ１５１と一体化されている。

カメラアタッチメント２５５およびカメラ高さ調節部２５７には同じピッチでネジ溝が設けられている。カメラ高さ調節部２５７を回転させることで、カメラ支持部２５５に対する観察用カメラ１５１のｚ方向（光軸方向）の相対位置を調整できる。つまり、ボルトとナットの関係のように、一方を他方に対して回転させることで、Ｚ方向における互いの相対位置関係が変更できる。よって、本実施例では、音響レンズ１２３による音響波検出素子１２１の焦点位置と、結像レンズ１５３による観察用カメラ１５１の物体面（焦点面）とを、所望の位置関係を満たすように容易に調節することが可能となる。例えば、被検体の表面近傍の情報を取得したい場合は、音響波検出素子１２１の焦点位置と結像レンズ１５３による観察用カメラ１５１の物体面（焦点面）とが一致するように調節しておけばよい。また、被検体の表面より深い部位の情報を取得したい場合は、音響波検出素子１２１の焦点位置より結像レンズ１５３による観察用カメラ１５１の物体面（焦点面）が手前（観察用カメラ１５１に近い側）にくるように調節しておけばよい。

本実施例によれば、観察用カメラあるいは音響波検出素子を着脱した際においても、再現性よく音響波検出素子１２１の焦点位置と、結像レンズ１５３による観察用カメラ１５１の物体面（焦点面）位置との位置関係を維持することが可能となる。

図４を用いて、本発明における第３の実施例を説明する。図中、図１と同一の部分には同じ番号を付加し、説明は省略する。第２の実施例では、観察用カメラ１５１を回転させた場合に像の回転が生じるため、表示の際に、像を回転させて表示したほうが望ましい。本実施例は、像（カメラ画像）の回転を起こすことなく物体面（焦点面）位置を調節するものであり、撮像手段である観察カメラ３５１の撮像素子と結像レンズ３５３との距離を調節する像面位置調整手段が設けられていることが特徴である。

図中、３５１は観察カメラ、３５３は結像レンズである。カメラアタッチメント１５５と観察カメラ３５１とは一体化されている。観察カメラ３５１の側壁および結像レンズ３５３の接続部には同じピッチでネジ溝が設けられている。したがって、結像レンズ３５３を回転させることで、観察カメラ３５１の撮像素子と結像レンズ３５３との距離を調節することが出来、像の回転を起こすことなく物体面（焦点面）位置を調節することが可能となる。

［その他の実施例］
上記した実施例２、３では、高さ調節機構（検出位置調節手段、撮像位置調節手段）あるいは物体面位置調節機構（像面位置調節手段）として、ネジ溝を利用した例を示したがこれに限ったものではなく、スペーサーを間に挟むことや、スライドして固定すること等で実現してもよい。

尚、上記の各実施例においては、音響波検出素子１２１が出力する電気信号から被検体１１１の情報を取得する信号処理手段１２６を有する構成で発明を説明したが、本発明はこれに限るわけではない。つまり、信号処理手段は設けず、得た信号をメディア等に保存し、別途設けられた信号処理手段でこれを読み込み、被検体情報を取得した後、別途設けられた表示装置等に被検体情報の画像を表示する構成でも構わない。よって、光源からの光を集光して被検体に照射する装置であって、光源からの光を集光して被検体に照射するための光学素子を備えており、前記光学素子は、音響波検出素子と撮像手段とを二者択一的に、且つ着脱可能に収容するための中空部を有することを特徴とする装置も、発明の範疇に含むものである。その際、光学素子は、円錐台形状をしており、前記中空部を囲む外周部の外周面がミラーとなり、光源からの光を集光するように構成されていると好ましい。この場合、簡易な構成で、光源からの光を集光することが可能となる。また、上述の実施例の被検体情報取得装置の構成と同様に、光学素子は、前記音響波検出素子の音響波受信面の法線方向と前記撮像手段の光軸とが一致するように前記中空部が設けられているのが好ましい。また同様に、音響波検出素子及び撮像手段は中空部に嵌合する筒状形状をしているのがこのましく、音響波検出素子及び撮像手段は、中空部に挿入された場合に、前記光学素子に支持されるようにアタッチメントを有していると、使い勝手の面で好ましい。

１００ 光源
１０７ 円錐台ミラー
１１１ 被検体
１２１ 音響波検出素子
１２２ 音響波受信面
１２３ 音響レンズ
１２５ 検出素子支持部
１２６ 信号処理手段
１２７ 法線
１５１ 観察用カメラ
１５７ 撮影用カメラの光軸

Claims (9)

1. 光源と、
   前記光源から射出された光を集める光学素子と、
   前記光学素子によって集められた光が被検体に照射されることにより発生する音響波を検出して電気信号を出力する音響波検出素子と、
   前記音響波検出素子の音響波受信面と前記被検体との間に位置する音響レンズと、
   前記電気信号から前記被検体の情報を取得する信号処理手段と、
   を有する被検体情報取得装置であって、
   前記光学素子は、前記音響波検出素子と前記被検体を撮像する撮像手段とを着脱可能なように支持する支持部を備え、該支持部は、該音響波検出素子の音響波受信面の法線方向と撮像手段の光軸とが略並行になるように、該音響波検出素子と撮像手段とを支持することを特徴とする被検体情報取得装置。
2. 前記法線方向における前記音響波検出素子と前記光学素子との相対位置を調整する検出位置調節手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
3. 前記光軸方向における前記撮像手段と前記光学素子との相対位置を調整する撮像位置調節手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
4. 前記撮像手段は結像レンズを含み、前記撮像手段に設けられた撮像素子と前記結像レンズとの距離を調節することで像面の位置を調節する像面位置調節手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
5. 光源からの光を集光して被検体に照射する装置であって、
   光源からの光を集光して被検体に照射するための光学素子を備えており、
   前記光学素子は、音響波検出素子と撮像手段とを二者択一的に、且つ着脱可能に収容するための中空部を有することを特徴とする装置。
6. 前記光学素子は、円錐台形状をしており、前記中空部を囲む外周部の外周面がミラーとなり、光源からの光を集光するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記光学素子は、前記音響波検出素子の音響波受信面の法線方向と前記撮像手段の光軸とが一致するように前記中空部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記音響波検出素子及び前記撮像手段は前記中空部に嵌合する筒状形状をしていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 前記音響波検出素子及び前記撮像手段は、前記中空部に挿入された場合に、前記光学素子に支持されるように支持部を有していることを特徴とする請求項５に記載の装置。

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